FI110893B

FI110893B - Menetelmä ja järjestelmä näytteiden ottamiseksi interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi

Info

Publication number: FI110893B
Application number: FI20010435A
Authority: FI
Inventors: Jyrki Kauppinen; Ismo Kauppinen
Original assignee: Jyrki Kauppinen; Ismo Kauppinen
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2003-04-15
Also published as: WO2002071014A8; FI20010435A; WO2002071014A1; FI20010435A0

Description

110893

Menetelmä ja järjestelmä näytteiden ottamiseksi interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestelmä näytteiden 5 ottamiseksi interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi, erityisesti ultraviolettialueella, kuten on esitetty yksityiskohtaisemmin oheisen itsenäisen patenttivaatimuksen johdanto-osassa.

Fourier-muunnosspektri lasketaan mitattujen tietojen, interferogrammin, perusteella. 10 Tallennettaessa interferogrammi tarvitaan tarkka tieto liikkuvan peilin asemasta. Nykyisessä standardimenetelmässä peilin liikkeen ilmaisemiseksi käytetään vertailulaseria peilin sijaintien määrittämiseksi. Tällä menettelytavalla taataan se, että näytteenotto tapahtuu tasavälein olevista pisteistä, mikä on olennaisen tärkeätä käytettäessä nopeaa Fourier-muunnosrutiinia (FFT - Fast Fourier Transform).

15 , , Mikäli mitatusta interferogrammista otetaan yksi näyte vertailulasersignaalin • · • V jokaisen nollan ylityksen kohdalla, mikä esimerkiksi He-Ne laseria käytettäessä merkitsee kahta näytettä per 632.8 nm, saadaan spektri, joka kattaa aaltolukualueen nollasta tiettyyn aaltoluvun maksimiarvoon v . Nyquistin näytteenottoteoreeman < · * : *' · 20 mukaan tämä maksimi riippuu vastavuoroisesti näytteenottovälistä Δχ: i · · • · • · » ν^=ΤΓ (Yhtälöt) • · 2Ax * < » • * • a •: * *: Tämä tarkoittaa sitä, että käyttämällä He-Ne laseria saadaan valetoistumaton, 25 aaltolukujen 0-15800 cm-1 välillä oleva spektri, joka on riittävä ainoastaan infrapuna-alueelle. Mikäli kuitenkin halutaan mitata näkyvällä tai » · :. ’': ultraviolettialueella olevia spektrejä, on vmax saatava suuremmaksi ja siis 2 110893 näytteenottoväli Δχ pienemmäksi. Tähän tarkoitukseen on jo käytetty useita menetelmiä.

Erilaisia menetelmiä FT-UV spektroskopian toteuttamiseksi on esitetty useiden 5 tekijöiden toimesta. Erään varhaisimmista esittivät Horlik ja Yuen [1]. Heidän järjestelmänsä perustuu alinäytteenottoon ja spektrien taittumisen sallimiseen.

Connes ja Michel [2] käyttivät ratkaisussaan neljännesaaltolevyjä ja polaroijia interferometrin kahdessa varressa kahden lasersignaalin muodostamiseksi 90° 10 vaihe-erolla. Ottamalla näyte kunkin signaalin jokaisella nollan ylityksellä saadaan neljä näytettä laserin yhtä aallonpituutta kohti. He-Ne laserilla tällöin muodostuisi noin 31600 cm-kn vapaa spektrialue.

Vuonna 1983 Burton, Mok ja Parker julkaisivat selvityksen, jossa he esittelivät 15 näytteenottojärjestelmän, joka perustui vaihelukitun silmukan käyttöön [3]. Vaihelukittu silmukka (PLL - Phase-locked loop) on tekniikka, jolla seurataan • · !' .* tulosignaalin taajuutta, muodostetaan taajuuteen verrannollinen jännite ja käytetään • jänniteohjattua oskillaattoria, joka tuottaa tulokseksi taajuuden halutun monikerran. Sitä voidaan siis käyttää laserin reunavälin alajakamiseksi millä tahansa kahden ’·’ 20 potenssilla. Oletetaan, että jakaja on 23. Tämä tarkoittaa sitä, että laserin yksittäinen aallonpituus jakautuu kahdeksaan osaan, joista kukin muodostaa kellopulssin. Tämän seurauksena vapaa spektrialue on nyt välillä 0-63200 cm PLL:n käytöstä • · *... seuraa kuitenkin se, että on välttämättä käytettävä liikkuvan peilin erittäin vakiona • ·

I > I

‘ . pysyvää nopeutta näytteenottovirheiden välttämiseksi. Tähän on syynä se, että PLL

• I

25 käyttää aina edellisen jakson taajuutta meneillään olevan jakson kellotaajuuden

» I I

määrittelemiseksi. Mikäli tällöin peilin nopeus on erilainen peräkkäisten jaksojen ; välillä, tapahtuu näytteenotto väärällä taajuudella ja kellovirheet vääristävät • * > • * spektrin.

3 110893

Braun [4] ja Thome [5] ovat käyttäneet Zeemannin jaettua laseria liikkuvan peilin aseman mittaamisessa. Kyseiset kaksi Zeeman-komponenttia on järjestetty toisistaan erilleen interferometrin molemmissa varsissa olevilla polaroijilla. Liikkuvan peilin nopeus mitataan sitten Doppler-siirtymän avulla interferometrin kahdesta varresta 5 tulevien uudelleen yhdistettyjen signaalien taajuudesta. Tämän järjestelmän etuna on se, että juovat jaetaan signaalin vaiheen eikä intensiteetin perusteella.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uusi, luotettava ja rakenteeltaan yksinkertainen menetelmä ja järjestelmä näytteiden ottamiseksi 10 interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi edullisesti ultraviolettialueella.

Tämän keksinnön erityisenä tarkoituksena on saada aikaan menetelmä ja järjestelmä, jotka voidaan toteuttaa käyttämällä analogista piiriä tai digitaalista 15 signaalin käsittelyä (DSP - Digital Signal Processing) reaaliaikaisesti.

Yllä esitetyt tarkoitukset saavutetaan järjestelmillä ja menetelmillä, jotka ovat ;'V tunnettuja niistä seikoista, jotka on esitetty oheisten itsenäisten patenttivaatimusten .:. tunnusmerkkiosissa.

O 20

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti menetelmään näytteiden • ottamiseksi interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi, edullisesti ultraviolettialueella, käyttämällä vertailulaserin interferenssisignaalia, . / kuuluu vaihe, jossa interferenssisignaali korotetaan neliöön ainakin kerran signaalin 25 taajuuden moninkertaistamiseksi.

. \ Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisessa menetelmässä neliöön .*·. korottamisen aikana signaaliin lisätty vakiokomponentti poistetaan.

Vakiokomponentti poistetaan edullisesti käyttämällä esimerkiksi 30 ylipäästösuodatinta.

4 110893

Neliöön korottaminen suoritetaan edullisesti n kertaa ja vakiokomponentti poistetaan jokaisen neliöön korottamisen jälkeen.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan järjestelmä näytteiden 5 ottamiseksi interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi, edullisesti ultraviolettialueella, käyttämällä laserinterferenssisignaalia käsittää välineet interferenssisignaalin korottamiseksi neliöön ainakin kerran signaalin taajuuden moninkertaistamiseksi. Lisäksi keksinnön mukaiseen järjestelmään kuuluu edullisesti välineet neliöön korottamisen aikana signaaliin lisätyn 10 vakiokomponentin poistamiseksi.

Signaalin käsittely keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan tehdä reaaliaikaisesti, jolloin näytteenottosignaali seuraa tarkasti peilin liikettä.

15 Menetelmän etuja ovat voimakas ja tarkka näytteenottosignaali, rakenteen yksinkertaisuus ja toteutuksen alhaiset kustannukset. Tämä menetelmä ratkaisee PLL:n (Phase-locked loop) käytössä esiintyvän ongelman, joka on se, että peilin ,:, nopeuden muutokset ilmenevät vääristyminä spektrissä.

·:··: 20 Keksintöä selvitetään seuraavaksi yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheiseen • · * piirustukseen, jossa • · · > · t • · *,.; kuvio 1 esittää kaaviomaisesti interferometrin optista järjestelyä, • » • t kuvio 2 esittää kaaviomaisesti interferogrammin näytteenoton periaatetta, ft 25 kuviot 3A-D esittävät kaaviomaisesti interferenssisignaalia, • i » •, kuvio 4 esittää kaaviomaisesti kuvan käsitellystä näytteenottosignaalista ja

I t I

kuvio 5 esittää kaaviomaisesti elohopeaspektrilampun emissiospektriä, joka on rekisteröity karuselli-interferometrillä käyttäen keksinnön mukaista näytteenottomenetelmää.

* * I

5 110893

Kuviossa 1 on esitetty yllämainitun interferometrin optinen järjestely, johon tyypillisesti kuuluu UV-lähde, laserlähde, liikkuva peili, kiinteä peili ja säteen jakaja ja jota käytetään tekniikan tason mukaisissa menetelmissä peilin liikkeen ilmaisemiseksi käyttämällä vertailulasersignaalia peilin aseman määrittämiseksi. 5 Interferometrin optisen radan ero x on 2d.

Interferogrammin näytteenotto suoritetaan ottamalla yksi näyte He-Ne lasersignaalin jokaisen nollan ylityksen kohdalla, kuten kuviossa 2 on esitetty. Näytteenottoväliä Δχ rajoittaa laserin aallonpituus.

10

Keksinnön eräs edullinen suoritusmuoto käsittelee interferometrian erottelukyvyltään alhaisia sovelluksia, esim. karuselli-interferometriä [6]. Tällaisia vähän tilaa vieviä välineitä hyödynnetään erityisesti siirrettävissä Fourier-analysaattoreissa. Tämä seikka asettaa erityisvaatimuksia kaikelle tekniikalle 15 spektrometriassa. UV-alueella laserin juovien näytteenotto ja alijakaminen vaatii erityistä huomiota, koska liikkuvan peilijärjestelmän nopeus voi vaihdella useista * · * t t ;; · syistä. Käytännössä se merkitsee sitä, että näytteenoton pitää seurata peilin liikettä ! reaaliaikaisesti.

• ( | • · :··· 20 Vertailulaserin interferenssisignaali on kosiniaalto, jolla on tietty amplitudi A ja aaltoluku v0 (katso kuvio 3a). Antamalla x:n olla optisen radan ero voidaan signaali ilmaista yhtälöllä • * * » ti» • /0(jc) = Acos 2πν0χ (Yhtälö 2) .···’ 25 • · · jossa aaltoluku on aallonpituuden käänteisluku, v0 = —. Havaitun signaalin taajuus

‘;' *. K

» · » • · · /„ riippuu aaltoluvusta ja liikkuvan peilin nopeudesta vm 6 110893 f0=v0vm (Yhtälö 3) Käyttämällä yhtälöä (3) voidaan yhtälö (2) nyt kirjoittaa muodossa, joka ilmaisee signaalin taajuuden.

5 70 (x) = A cos 2π f0 — (Yhtälö 4) vm

Mikäli yhtälön (2) mukainen signaali nyt kerrotaan itsellään tai toisin sanoen korotetaan se neliöön, saadaan uusi signaali 10 I\(x) = A2 cos2 2πν0χ (Yhtälö 5) joka voidaan ilmaista muodossa 15 7j(x)= A2 ~[cos2(27zv0x)+l] !!V =—42cos2^(2v0)x +—A2 (Yhtälö 6) * * 3 3 »*» *·*·* Sijoittamalla taas vQ yhtälöstä (3) saadaan yhtälö (6) muodossa 20 Il(x) = -A2cos2n(2f0)— + -A2. (Yhtälö 7) : 2 vm 2 . Nyt voidaan todeta, että taajuus yhtälössä (7) on kaksinkertaistunut verrattuna : ’ ‘ *: taajuuteen yhtälössä (4). Samoin voidaan todeta, että signaalin korottaminen neliöön i on tuottanut vakiotermin —A2 (katso kuvio 3b). Eliminoimalla vakiotermi —A2 2 2 25 7,(x):stä saadaan signaali, jolla on kaksinkertainen taajuus verrattuna 70(x):ään 7 110893 (katso kuvio 3c). Suorittamalla jälleen neliöön korottaminen ja vakion poistaminen saadaan näytteenottosignaali, jonka taajuus on nelinkertainen verrattuna alkuperäiseen He-Ne lasersignaaliin l0(x) (katso kuviot 3d ja 4). Tämä antaa valetoistumattoman spektrialueen aina 63200 cm-1 asti.

5

Olennaisen tärkeä seikka yllä esitetyissä kaavoissa on se, että korottamalla kosinisignaali neliöön saadaan uusi kosinisignaali, jonka taajuus on kaksi kertaa suurempi kuin ensimmäisen. Näin ollen, jos käytetään elektroniikkaa moninkertaistamisen suorittamiseksi, on mahdollista rakentaa vahvistin, joka 10 muuttaa vertailulaserin interferenssisignaalin signaaliksi, jolla on 2":llä monikertaistettu taajuus, jossa n on kertojapiirien lukumäärä.

Eräs esimerkki keksinnön mukaista näytteenottomenetelmää käyttämällä tallennetusta UV-spektristä on esitetty kuviossa 5.

15

Keksinnön mukainen järjestelmä voidaan rakentaa sähköisenä piirilevynä. Eräs keksinnöllisen ajatuksen testaamiseksi rakennettu piirilevy sisälsi kolme identtistä » I t I t :v. astetta, joista kukin korotti tulosignaalinsa neliöön. Moninkertaistuja piirilevyyn • » ·· tuotiin fotodiodin signaali, joka mittasi He-Ne laserin interferenssisignaalin.

: 20 Ulostulona järjestelmä antoi kolmanteen potenssiin korotetun He-Ne signaalin, * * ': jonka taajuus oli siis kolme kertaa suurempi kuin tulosignaalin.

1 t

) I

. , Elektroniikka toteutettiin kaupallisesti saatavissa olevilla integroiduilla piireillä.

, ·. Analoginen kerroinpiiri oli AD633, jota valmistaa Analog Devices, Inc.

’ t 25 Kerroinpiirien välissä oli oltava ulkopuolisia komponentteja vakiotason .··, poistamiseksi (katso yhtälö 7) ja signaalin vahvistamiseksi. DC:n poistamiseksi , käytettiin yksinkertaisia RC-suodattimia ja vahvistimet olivat yleiskäyttöön 5 I > tarkoitettuj a vahvistimia (TL081).

*» * 8 110893

Ennen ensimmäistä kerronta-astetta sijaitsee suodatin DC-tason poistamiseksi tulosignaalista. Tämän jälkeen signaali tuodaan AD633:n kumpaankin tulokanavaan, josta ulostuloksi muodostuu neliöön korotettu signaali, kuten yhtälössä (7) on esitetty. AD633:n ottosiirtymän eliminoimiseksi käytetään kunkin 5 kertojan negatiivisissa tulonavoissa siirtymän tasausta. Jokaisen AD633:n jälkeen on DC-taso suodatettava ja sen jälkeen signaali vahvistetaan TL081:llä.

Keksintö ei rajoitu yllä esitettyihin ja kuvattuihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisissa patenttivaatimuksissa määritellyn 10 keksinnön suojapiirin rajoissa.

• · 9 110893

Viitteet:

[1] G. Horlick and W. K. Yuen, "Atomic spectrochemical measurements with a Fourier transform spectrometer", Anal. Chem. 47, 775A-781A

5 (1975).

[2] P. Connes and G. Michel, "Astronomical Fourier spectrometer", Appi. Opt. 14,2067-2084 (1975).

10 [3] N. J. Burton, C. L. Mok, and T. J. Parker, "Laser-controlled sampling in a

Fourier spectrometer for the visible and ultraviolet using a phase-locked loop", Opt. Commun. 45, 367-371 (1983).

[4] J. W. Brault, "Solar Fourier transform spectroscopy", Ossni. Mem. Oss.

15 Astrofis. Arcetri 106, 33-50 (1979).

[5] A.P. Thome, C. J. Harris, I. Wynne-Jones, R. C. M. Learner, and G. Cox, !;'. ’ "A Fourier transform spectrometer for the vacuum ultraviolet: design and .:. performance", J. Phys. E: Sci. Instrum. 20, 54-60 (1987).

f·’: 20 ·:·: [6] J. K. Kauppinen, I. K. Salomaa, and J. O. Partanen, "Carousel :..interferometer", Appi. Opt. 34, 6081-6085 (1995).

• i ·

Claims

110893 ίο

1. Menetelmä näytteiden ottamiseksi interferogrammista Fourier-muunnosspektrin muodostamiseksi, edullisesti ultraviolettialueella, käyttämällä 5 laserinterferenssisignaalia, tunnettu siitä, että interferenssisignaali korotetaan neliöön ainakin kerran signaalin taajuuden moninkertaistamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että neliöön korottamisen aikana signaaliin lisätty vakiokomponentti poistetaan.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vakiokomponentti poistetaan käyttämällä ylipäästösuodatinta.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että neliöön korottaminen suoritetaan n kertaa ja vakiokomponentti poistetaan jokaisen neliöön korottamisen jälkeen.

5. Järjestelmä näytteiden ottamiseksi Fourier-muunnosspektristä, edullisesti ultraviolettialueella, käyttämällä laserinterferenssisignaalia, tunnettu siitä, että 20 järjestelmään kuuluu välineet interferenssisignaalin korottamiseksi neliöön ainakin ':' ’: kerran signaalin taajuuden moninkertaistamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmään kuuluu välineet neliöön korottamisen aikana signaaliin lisätyn vakiokomponentin 25 poistamiseksi. » · π 110893